超超临界机组系统特点

第二讲 超临界机组系
统特点
1
随着锅炉朝着大容量高参数的方向发展，超临界机组 日益显示其诸多优点。火电机组随着蒸汽参数的提高，效 率也相应地提高：
● 亚临界机组（16～17Mpa、538/538℃），净效率约 为37~38%，煤耗330~350g；
● 超临界机组（24～28Mpa、538/538℃），净效率约 为40~41%，煤耗310~320g；
4
3．在超临界锅炉中，各区段工质的比热、比容变化剧 烈，工质的传热与流动规律复杂。变压运行时随着负荷的 变化，工质压力将在超临界到亚临界的广泛压力范围内变 化，随之工质物性变化巨大，这些都使得超临界机组表现 出严重非线性。具体体现为汽水的比热、比容、热焓与它 的温度、压力的关系是非线性的，传热特性、流量特性是 非线性的，各参数间存在非相关的多元函数关系，使得受 控对象的增益和时间常数等动态特性参数在负荷变化时大 幅度变化。
（a）燃料量扰动；
（b）给水流量扰动；
13
微过热汽温的选择
图. 蒸汽等温线的焓值与汽压的关系
14
以微过热汽温作为燃水比的校正信号时，其过热度 的选择是非常重要的。从控制系统品质指标的角度考虑， 所取的微过热汽温过热度越小，迟延越小。然而，若焓 值小于2847kJ／kg（680kcal/kg），则图中虚线以下， 曲线进入明显的非线性区，汽温随焓值变化的放大系数 明显减小，而受汽压变化的影响很大，变得不稳定。这 影响微过热汽温对于燃水比例关系的代表性。
（6）直流锅炉的起动和停炉的时间较短，一般不超 过1小时。汽包锅炉由于汽包壁很厚，为减少由于汽包壁 内外和上下温差而引起的热应力，在起动和停炉时常需 缓慢进行，要用3～10小时之久。
9
超临界机组直流炉机组与亚临界汽包炉机组的主要区 别在锅炉本体部分。超超临界机组较超临界机组而言， 只是工艺参数相对高一些，但在热控设计方面两者基本 上没有大的差别。
18
当电力系统发生异常情况时，导致须将发电机组与 系统解列，但机组仍在主变出口断路器打开的状态下 继续运行，此时应自启动FCB功能。
FCB动作时，汽机旁路阀打开，形成锅炉带旁路系 统运行。燃烧器只留下规定的对数运行，其余的都退 出。锅炉输入指令也急速递减，控制锅炉到最低稳定 负荷，汽机保持额定转速带厂用电运行。这些动作必 须在各控制子系统中协调进行，即在FSSS中构成FCB Logic,向BPC（Bypass Control System）、 MCS(Modulation Control System)、BMS(Burner Management System)、DEH(Digital Electro-Hydraulic Control)、SCS(Sequence Control System)等输出相应 的指令信号。
7
（1）应有高品质的给水：进入锅炉的给水全 部变为蒸汽，给水所含的盐分除少量溶于蒸汽而 被带出外，其余杂质均将沉积在受热管内壁上。
（2）节约钢材：采用小管径而且不用汽包， 就可大量节约钢材。一般直流锅炉大约可节约20 ％～30％的钢材。
（3）由于强制工质流动，蒸发部分的管子允 许有多种布置方式不必象自然循环锅炉那样要用 立置的蒸发管。但蒸发段的最后部分受热面应安 置在热负荷较为温和的地区。
和变成过热蒸汽是一次性连续完成的，随着运行工况 的不同，锅炉将运行在亚临界或超临界压力下，蒸发 点会自发地在一个或多个加热区段内移动。因此，为 了保持锅炉汽水行程中各点的温度、湿度及水汽各区 段的位置为一规定的范围，要求燃水比、风燃比及减 温水等的调节品质相当高。
3
2．在超临界直流炉中，由于没有汽包，汽水容积 小，所用金属也少，锅炉蓄能显著减小且呈分布特性。 蓄能以二种形式存在——工质储量和热量储量。工质 储量是整个锅炉管道长度中工质总质量，它随着压力 而变化，压力越高，工质的比容越小，必需泵入锅炉 更多的给水量。在工质和金属中存在一定数量的蓄热 量，它随着负荷非线性增加。由于锅炉的蓄质量和蓄 热量整体较小，负荷调节的灵敏性好，可实现快速启 停和调节负荷。另一方面，也因为锅炉蓄热量小，汽 压对被动负荷变动反映敏感，这种情况下机组变负荷 性能差，保持汽压比较困难。
16
图 微过热汽温推荐值与压力的关系
超临界机组控制特点： （1）超临界机组是一个多输入、多输出的被控对象； （2）负荷扰动时，主汽压力反应快，可作为被调量； （3）超临界机组工作时，其加热区、蒸发区和过热区之 间无固定的界限，汽温、燃烧、给水相互关联，尤其是燃 水比不相适应时，汽温将会有显著的变化，为使汽温变化 较小，要保持燃烧率和给水量的适当比例； （4）从动态特性来看，微过热汽温能迅速反应过热汽温 的变化，因此可以该信号来判断给水和燃烧率是否失调； （5）超临界机组的蓄热系数小对压力控制不利，但有利 于迅速改变锅炉负荷，适应电网尖峰负荷的能力强。
19
燃烧率和给水量并行控制
燃烧率 锅炉指令控制
由锅炉指令形成燃水比指令控制
燃料量测量 热量信号
经过磨煤机模型的给煤机转速
风量控制 燃烧率指令乘风燃比
燃烧率指令乘风燃比
过热汽温控制 给水量控制
减温喷水 控制汽包水位（三冲量）
燃水比协调减温喷水
锅炉指令形成燃水比指令，加上对燃水 比的修正
10
直流锅炉动态特性
6
直流锅炉没有汽包，整个锅炉是由许多管子并联， 然后用联箱连接串联而成。在给水泵的压头作用下， 工质顺序一次通过加热、蒸发和过热受热面。进口工 质为水，出口工质为过热蒸汽。由于没有汽包，所以 在加热和蒸发受热面之间，以及在蒸发和过热受热面 之间都没有固定的分界线。
加热区和过热区中的参数变化同自然循环锅炉相 同；在蒸发区中由于流动阻力，压力有所降低，相应 的饱和温度也有所下降。
11
汽机调 门 开度
主汽 压力
主汽 流量
过热 汽温
功率
燃料
给水流
量
量
主汽
主汽
压力
流量
主汽
主汽
流量
压力
过热
过热
汽温
汽温
功率
功率
12
直流锅炉微过热汽温动态特性
过热蒸汽温度能正确反映燃水比例的改变，但存在 较大的迟延，通常为 400s左右；因此不能以过热蒸汽温 度作为燃水比例的控制信号，通常采用微过热汽温作为 燃水比例的校正信号。在这个意义下，微过热汽温的动 态特性具有特殊的重要性。
8
（4）直流锅炉不受工作压力的限制，而且更适于超 高压力和超临界压力，因为随压力的提高以及水和汽的 比容差的减小，工质的流动更为稳定。
（5）锅炉储存的热量少。当外界负荷变化较快而燃 烧和给水调整赶不上时，汽压和汽温的波动较大。但是 正因为储热少，对调节的反映也快，如配有灵敏的调节 设备，可适应外界负荷变动。
经验证明，微过热蒸汽的焓值在2847kJ/kg左右时， 其特性比较稳定。
15
Байду номын сангаас 按照反应较快和便于检测等条件，通常在过热段的 起始部分选取一个合适的地点，根据该点工质温度来控 制燃水比。这一点称为中间点，中间点汽温变化的时滞 应不超过30～40s。但应说明，在不同负荷时，中间点 的汽温不是固定不变，而是机组负荷的函数。
从控制特性角度来看，直流锅炉与汽包锅炉的主 要不同点表现在燃水比例的变化，引起锅炉内工质储 量的变化，从而改变各受热面积比例。
影响锅炉内工质储量的因素很多，主要有外界负 荷、燃料流量和给水流量。
对于不同压力等级的直流锅炉，各段受热面积比 例不同。压力越高，蒸发段的吸热量比例越小，而加 热段与过热段吸热量比例越大。因而，不同压力等级 直流锅炉的动态特性通常存在一定差异。
4．超临界机组采用直流锅炉，因而不象汽包炉那样， 由于汽包的存在解除了蒸汽管路与水管路及给水泵间的耦 合，直流炉机组从给水泵到汽机，汽水直接关联，使得锅 炉各参数间和汽机与锅炉间具有强烈的耦合特性，整个受 控对象是一多输入多输出的多变量系统。
5
热力学理论认为，在22.129MPa、温度374℃时，水 的汽化会在一瞬间完成，即在临界点时饱和水和饱和蒸 汽之间不再有汽、水共存的两相区存在，两者的参数不 再有区别。由于在临界参数下汽水密度相等，因此在临 界压力下无法维持自然循环，只能采用直流炉。超临界 直流炉的汽水行程如图1所示。
17
FCB技术 单元机组考虑了机组自动快速降低负荷（FCB），
使机组维持空转，锅炉处于最低稳燃负荷，或只带厂 用电运行的功能。当电网出现故障或其它原因要求机 组快速地将负荷降至最低限时，需要快速甩负荷。快 速甩负荷的实现对机组的可控性要求很高，所有控制 子系统必须处于正常工作状态，并应配备完备的旁路 系统。
● 超超临界机组（主蒸汽压力大于等于27 MPa或主蒸 汽温度、再热蒸汽温度高于593℃。两个条件满足其一）， 净效率约为44~46%，煤耗280~300g。
由于效率的提高，不仅煤耗大大降低，污染物排量也 相应减少，经济效益十分明显。
2
一、超临界机组的特点 1．超临界直流炉没有汽包环节，给水经加热、蒸发
机组发电量控制 锅炉指令
蒸汽负荷和主汽压
汽包炉机组
独立控制回路（含MW、 一级压力和频率参量）
经过蓄能和滑压动态补偿后 的压比信号，由燃料偏差和 风量偏差进行保护性限制
燃烧率控制
超临界直流炉机组
独立控制回路（含MW、一级压力和频 率参量）
经过蓄能和滑压动态补偿后的压比信号，加上 主汽压偏差的调节修正，由燃料偏差、风量偏 差和给水量偏差进行保护性限制